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USB外设电源规划技能

同PC机原先的串口、并口相比,USB口除能大幅提高数据传输速率之外,还具有为外部设备供电的能力。USB外设电源的合理设计,也就成为可以探讨…

同PC机原先的串口、并口比较,USB口除能大幅进步数据传输速率之外,还具有为外部设备供电的才能。USB外设电源的合理规划,也就成为能够评论的实际问题。本文参照USB的有关技术规范,论述USB外设电源的一般规划准则,并对几种较有特征的有用电路作了剖析评论。

  有关技术规范

  依据现在通行的USB1.1规范,USB口能够5V±5%的电压为外部设备供电,但其输出功率不能超越2.25W,所以功耗较大的外设仍须自行装备电源而不在本文评论规模之内。别的,USB规范对外设电源电路的某些相关参数亦有具体规定,例如,为了避免外设接入USB口时的浪涌电流形成主机电源的“毛刺”,外设在接通瞬间从主机抽取的电量不得超越50mC,其电源输入端的旁路电容器容量应在10mF以下。又如,外设电源刚接通时,主机将外设一概作为低功耗设备看待,此刻USB口的输出电流上限仅为100mA;须待外设向主机宣布恳求并经主机承认外设为高功耗设备之后,输出电流上限才会提升至其最大值500mA。再如,USB规范答应外设处于“待机”状况并支撑“长途唤醒”功用,不过此刻外设的静态电流有必要小于0.5mA(低功耗设备)或2.5mA(高功耗设备)。

  所以,USB外设电源的规划关键,便是在契合USB规范的前提下,依据不同外部设备的要求,权衡各类电路结构的利害,在功用、本钱、体积等诸要素之间,确认一个恰当的平衡点。

  

  图1 5V~5V SEPIC电源

  电源结构功用

  USB外设电源的输入电压既已确认,其输出电压的凹凸便成为挑选电路结构方式的决议性要素。现在最常用的规范电源电压,有3.3V、5V和12V等几种。

  许多USB数字设备选用3.3V电源,假使电源改换功率以95%计,则其最大可用电流约为0.65A。此刻只需功率裕量满意,能够首选线性稳压器材,因其本钱最低,所需外围元件也少,仅仅电源功率较低,不或许超越67%。若对功率有所讲究,无妨考虑“电荷泵”器材,因其虽在本钱与体积方面稍逊于前者,但在改换功率方面占有显着优势。不过此类器材的负载才能一般较弱,只能满意上述低功耗设备的要求。若是需求获取尽或许多的有用功率,那就只能选用功率更高的降压型开关稳压电路,可是本钱与体积亦将随之添加。当然,即便现已决议选用开关电源,其实仍有几种电路方式可供挑选。

  一般说来,开关电源集成器材分为两种类型,即需求外接功率开关(多为功率型MOSFET)的“开关电源控制器”以及片内自带集成功率开关的“单片开关电源”。前者本钱稍低,而且易于取得较低的功率开关导通电阻而有利于进步电源改换功率;后者则以体积细巧见长,而且能对功率开关完成完善的过热、过流维护。此外,两类器材又均各有“惯例型”(亦称“异步型”或“非同步型”)与“同步型”之分;后者选用受控MOSFET替代前者的续流二极管,虽然本钱较高,但因MOSFET的导通压降一般显着低于二极管的正向压降,由此至少可将开关电源的改换功率进步几个百分点,所以两者各有好坏而一起并存至今。表1列出了上述几种常用电源电路的结构分类与主要功用。

  关于一些需求12V电源的USB模拟设备,电路方式的挑选地步不大,以往简直悉数选用升压型开关稳压器,功率常在85%以上;假使有必要处理这类电路无法完成输出短路维护功用的难题,则可考虑下述之SEPIC(单端初级电感改换器)电路,可是本钱将会因而显着上升。当然,在这两类电路中,相同有着上述之外接或在片功率开关以及异步或同步整流的差异。

  假如USB外设需求5V电源,作业就稍为有些扎手,由于USB口的外供电压或许略高于也或许略低于这一数值。为此,以往常用先升压再降压或先降压再升压的方法。这在需求多种输出电压的场合,倒也不失为一条可行途径;但若仅需单一的5V输出,此类电路结构便不免“叠床架屋”之嫌。或许正是这一原因,上述之SEPIC虽然电路杂乱,本钱也高,但因其能集升压、降压功用于一身,所以近来已呈使用渐广之势。

  

  图2 双电压输出电源

  使用电路实例

  图1便是一种SEPIC有用电路,其输入、输出电压均为5V,开关频率约300kHz,电源改换功率挨近90%。其间,UCC39421是一种多用途高效PWM控制器,开关频率可由其“守时电阻(RT)”引脚的外接电阻调整,输出电压则取决于“反应(FB)”端的电压采样分压器,外接N沟道与P沟道MOSFET别离用作功率开关与同步整流。特别值得注意的是,图中的储能电感分红对称的两半,输入端的能量经由跨接于两个电感之间的电容器向输出端搬运,这是SEP%&&&&&%电路的主要特征。

  图2是一种规划较为紧凑的双电压输出电路,作业频率750kHz,改换功率可达95%。其间, 3.3V主电源由降压型单片同步开关电源TPS62000构成;该器材具有软启动功用,能够有用按捺输入浪涌电流与输出电压过冲,最大输出电流600mA。TPS62000的输出端“L”为低电平时,外接P沟道场效应管Q1随之导通而令储能电感L1副绕组的感应电压向输出%&&&&&%C1充电,C1之端电压同3.3V主输出叠加即为辅佐输出电压,其数值取决于L1主、副绕组的匝数比;辅佐输出若为5V,匝数比可取2:1。

  不少便携式USB设备脱离主机后改由内部电池组经过直流改换器持续供电,故而需求装备一个小型UPS电源,图3便是一种由单片开关电源MAX1703构成的有用电路。该集成器材选用同步整流PWM升压型电路结构;能够单节镍镉/镍氢电池供电,最低输入电压0.7V,输出电压可调规模为2.5~5.5V,最大输出电流1.5A,电源改换功率可达95%。图3中,MAX1703开关电源“POUT”端的输出电压设定为3.4V,而由P沟道场效应管Q1与片内备用放大器构成的线性稳压器输出电压为3.3V,故而USB外设由电池组供电时Q1的功率损耗简直能够疏忽。外部设备与USB口接通时,二极管D1为正向偏置而使开关电源处于“闲暇”状况;也便是只需Q1的源极电压高于3.4V,外部设备便一直由USB口供电。与此一起,USB口还经过PNP晶体管Q2等组成的恒流源向电池组充电,调整电阻R1的阻值能够设定充电电流,使之契合十小时充电制的要求。一旦外部设备脱离USB口,开关电源便会当即退出“闲暇”状况而由内部电池组持续供电。

  

  图3 小型UPS电源

  结语

  综上所述,尚能充沛顾及USB技术规范的限制,把握各类电路结构的特性,了解一些典型器材的用法,那么,就可规划出合理的USB外设电源。

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